摘 要： 該論文介紹了西門子總線型給料機(jī)在水泥行業(yè)生料入窯定量控制方案的形成、控制原理、主要技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用等。
關(guān) 鍵 詞： 定量給料機(jī) 直承式 雙PID控制 PROFIBU-DP總線
Abstract：This paper introduces that formation of control scheme about SIEMENS weighing Feeder
products in cement industry for raw material into the kiln, control principle, technical characteristics and
the applications.
KeyWords：Weighing-Feeder Direct-Loading Double-PID control PROFIBUS-DP
一、項(xiàng)目簡介
在科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，制造業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展必不可少的組成部分。水
泥行業(yè)作為大規(guī)模生產(chǎn)的制造業(yè)，是建材行業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一。我國作為水泥生產(chǎn)大國，為了進(jìn)一步提高市場競爭力，要求企業(yè)對(duì)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、科學(xué)與質(zhì)量管理、專業(yè)技術(shù)等各個(gè)層次不斷探索與創(chuàng)新。
現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)工藝可以簡單概括為：二磨一燒。其主要工藝流程包括礦山開采，原料破碎，粘土燒干，生料粉磨，熟料煅燒，熟料冷卻，水泥粉磨及成品包裝等工序。具有設(shè)備單機(jī)容量大，生產(chǎn)性強(qiáng)，人員配備有限、對(duì)快速性與協(xié)調(diào)性要求較高的特點(diǎn)，為了提高企業(yè)生產(chǎn)效率與競爭力，質(zhì)量管理與成本控制是關(guān)鍵，而保障產(chǎn)品質(zhì)量與降低成本最重要的環(huán)節(jié)就是原料配方控制。
本文是以湖南湘維1200t/d水泥生產(chǎn)線為項(xiàng)目背景，共涉及原料配料、生料與粉煤入窯、水泥配料、混合材烘干等21臺(tái)定量給料機(jī)。作者結(jié)合用戶PCS7系統(tǒng)著重論述西門子總線型給料機(jī)在生料入窯定量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如圖一。
圖一 WF1200給料機(jī)與成套電控柜
二、技術(shù)方案的形成
2、 1 物料特性
入窯的生料是經(jīng)原料配料后的混合料送入球磨機(jī)粉磨后再按比例摻入電石渣，此時(shí)，物料呈粉末流態(tài)狀，堆比重約1000kg/m3、含水量<=0.5%、溫度<=80℃、下料方式為氣力輸送。
2、 2 用戶工藝控制要求
如圖二,生料均化庫下料系統(tǒng)有A、B二路，設(shè)計(jì)為一開一備。正常生產(chǎn)時(shí)由A路控制，入窯
生料經(jīng)均化庫底氣動(dòng)開關(guān)閥與電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥后至定量給料機(jī)，再通過皮帶輸送機(jī)至入窯提升機(jī)，送入大窯煅燒。當(dāng)定量給料機(jī)故障或檢修停機(jī)時(shí)，為確保工藝的連續(xù)生產(chǎn)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉A路氣動(dòng)開關(guān)閥，同時(shí)打開B路氣動(dòng)開關(guān)閥，此時(shí)，中控操作員會(huì)根據(jù)入窯提升機(jī)的提升電流通過中控PLC I/O接口手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥的開度來控制入窯生料量。
再者，為確保大窯的工況穩(wěn)定及熟料的煅燒質(zhì)量，用戶要求計(jì)量與控制精度必須控制在0.5%~1.0%以內(nèi)，且工作穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好。
2、3 西門子解決方案
西門子公司本著在水泥行業(yè)豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過稱重專家、銷售工程師與用戶工藝、電氣、系統(tǒng)等專業(yè)負(fù)責(zé)人的多次交流與溝通，就生料入窯計(jì)量控制系統(tǒng)的產(chǎn)品選用、設(shè)計(jì)、控制原理與控制方案等幾個(gè)方面提供如下一體化解決方案。
2.3.1產(chǎn)品的選用與設(shè)計(jì)
從目前行業(yè)應(yīng)用情況來看，對(duì)于生料均化庫底部的生料定量控制大多采用固體流量計(jì)。但此方案存在如下缺陷：
1、 控制與計(jì)量精度低(3%~5%)，穩(wěn)定性與重復(fù)性差;
2、 對(duì)安裝要求較高，垂直安裝距離空間要求較大;
3、 同質(zhì)量水平的進(jìn)口設(shè)備成本高;
4、 動(dòng)態(tài)校驗(yàn)與維護(hù)周期短;
5、 單回路控制，無雙PID控制功能，自動(dòng)狀態(tài)下控制效果欠佳;
由此，西門子專家從物料特性與實(shí)際工藝出發(fā)，綜合考慮各種現(xiàn)場因素，專門為其量身定做WF1200全密封結(jié)構(gòu)定量給料機(jī)。其整體設(shè)計(jì)充分考慮了用戶的入窯流量、物料密度與濕度、帶速、驅(qū)動(dòng)能力、粉塵、撒料、計(jì)量與控制精度等問題，整套設(shè)備主要包括輸送機(jī)體、進(jìn)出料溜槽、料斗容量檢測、防塵罩、計(jì)量秤架、驅(qū)動(dòng)裝置、積分儀、變頻器等幾部分。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)確保了西門子定量給料機(jī)優(yōu)良的工作性能。此外，從儀表數(shù)據(jù)處理以及與系統(tǒng)的通訊速率、抗干擾能力等方面考慮，增加設(shè)計(jì)了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊。通過總線方式完成數(shù)據(jù)的采集、控制及狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，這與用戶中控西門子PCS7系統(tǒng)達(dá)到完美結(jié)合，既可避免不同廠家設(shè)備的系統(tǒng)兼容性問題，更重要的是提高了整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，有力的保證了過程生產(chǎn)的穩(wěn)定性與可靠性。
2.3.2系統(tǒng)工作原理與控制方案
1、 西門子定量給料機(jī)將經(jīng)過皮帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進(jìn)行檢測，以確定皮帶上的物料重量;裝在尾部滾筒上的數(shù)字式測速傳感器，連續(xù)測量給料速度，該速度傳感器的脈沖輸出正比于皮帶速度;速度信號(hào)與重量信號(hào)一起送入給料機(jī)積分儀BW500，產(chǎn)生并顯示累計(jì)量/瞬時(shí)流量。積分儀將該反饋量與設(shè)定量進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出信號(hào)控制變頻器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)定量給料的要求。
2、雙PID控制方案
西門子定量給料機(jī)雙PID控制方案是區(qū)別于其它品牌或其它計(jì)量設(shè)備的主要特點(diǎn)之一。
如圖三，一方面以儀表的瞬時(shí)流量R為控制源， DCS通過PROFIBUS-DP總線通訊向BW500儀表寫入設(shè)定流量R1，并與儀表實(shí)時(shí)反饋的瞬時(shí)流量R2進(jìn)行比較，然后再通過BW500的P、I、D運(yùn)算后，輸出4~20mA信號(hào)給變頻器，從而控制定量給料機(jī)的電機(jī)運(yùn)行頻率。
因給料機(jī)上游喂料系統(tǒng)并非拖料方式，為使喂料量與給料量達(dá)到平衡，確保最優(yōu)控制效果，另一方面，則以進(jìn)料斗下方的稱重傳感器L2所檢測到的物料容量S為控制源，L2傳感器將容重信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓mV信號(hào)，再通過電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入給BW500，由BW500得出反饋的實(shí)時(shí)容重，再與儀表的容重設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出4~20mA信號(hào)來控制電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥的開度。
此外，鑒于入窯生料氣力輸送及粉末與流態(tài)化特性，定量給料機(jī)進(jìn)料溜槽設(shè)計(jì)成S形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部加錯(cuò)層濾網(wǎng)，以減緩下料落差沖擊，確保定向均勻下料，有效抑制風(fēng)送及流化、計(jì)量及控制滯后等現(xiàn)象。
圖三 雙PID控制原理圖
3、根據(jù)用戶工藝A/B兩路一開一備的冗余控制要求，如何完成A路與B路的自動(dòng)切換是方案關(guān)鍵。由此，當(dāng)A路定量給料機(jī)故障或檢修時(shí)，其故障或檢修信號(hào)將與B路電氣控制形成聯(lián)鎖。
正常情況下A路工作時(shí)，對(duì)入窯生料的計(jì)量與控制可通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)中控?cái)?shù)據(jù)的讀寫(設(shè)定流量、瞬時(shí)流量、給料機(jī)皮帶速度、累積流量等)，并可通過總線方式對(duì)定量給料機(jī)積分儀BW500的五個(gè)可編程離散輸入繼電器狀態(tài)位的讀取來遠(yuǎn)程完成現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。(包括超重、斷料、故障、跑偏、備妥、運(yùn)行等)。此外，定量給料機(jī)的遠(yuǎn)程啟?？赏ㄟ^電氣PLC的DO輸出接口來實(shí)現(xiàn)。
4、整套控制方案可在中控PCS7系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定量給料機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)與遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式。同時(shí)，方案具
備遠(yuǎn)程冗余功能，即在中控遠(yuǎn)程故障時(shí)，可通過斷開BW500積分儀與中控的遠(yuǎn)程通訊設(shè)置，以及給料機(jī)機(jī)旁本地與遠(yuǎn)程的硬件切換，采用儀表本地控制，實(shí)現(xiàn)本地自動(dòng)或本地手動(dòng)的工作方式。
三、主要技術(shù)特點(diǎn)
3.1、獨(dú)特的輸送機(jī)體結(jié)構(gòu)，主體部分采用6mm鋼板及非焊接折鋼與特殊熱處理技術(shù)并進(jìn)行恒溫烤漆，確保機(jī)體不銹蝕、不變形、無長期應(yīng)力存在，提高了機(jī)械壽命與計(jì)量精度;懸臂式與模塊化輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，方便裝卸與更換皮帶;主動(dòng)滾筒采用鋼面腰鼓形結(jié)構(gòu)并襯板，有利于自動(dòng)調(diào)心與自清潔，防止皮帶打滑;給料機(jī)設(shè)計(jì)有內(nèi)外括板，與防跑偏等輔助裝置，有助于皮帶清潔及系統(tǒng)安全運(yùn)行。
3.2、耐磨裙邊皮帶與全密封保護(hù)罩及出料收塵口設(shè)計(jì)。確保了皮帶的使用壽命，并解決現(xiàn)場揚(yáng)塵問題。
3.3、秤架采用獨(dú)特的“三無”(無杠桿、無支點(diǎn)、無平衡重)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝簡單，維護(hù)方便。直承式模塊化結(jié)構(gòu)，減少了負(fù)載死區(qū)，更快速響應(yīng)。稱重傳感器采用西門子專利技術(shù)的三重梁平行四邊形原理，并具有寬范圍的溫度補(bǔ)償功能。有效的抑制了皮帶跑偏、托輥摩擦等非垂直力的干擾。
3.4、速度傳感器采用1024脈沖/轉(zhuǎn)高精度光電編碼器測速，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，不受重復(fù)啟動(dòng)及變頻高低速的影響，即使在有機(jī)械振動(dòng)、自激振動(dòng)和電氣噪音時(shí)也能保持穩(wěn)定運(yùn)行。
3.5、儀表控制器具有自動(dòng)或遠(yuǎn)程調(diào)零與量程校準(zhǔn)、雙PID控制、角度與濕度補(bǔ)償、專利電子自動(dòng)配平等功能，分辨率可達(dá)0.02%、支持MODBUS，PROFIBUS-DP等多種通訊，在線升級(jí)方便。
3.6、PROFIBUS-DP總線結(jié)構(gòu)，簡化了現(xiàn)場，全數(shù)字化通信，進(jìn)一步提高了控制精度與數(shù)據(jù)處理精度，抗干優(yōu)能力強(qiáng)，集成化程度更高。
3.7、真正意義上的雙PID控制回路，使入窯生料流量控制更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確，確保生產(chǎn)正常。
3.8、變頻器、電機(jī)與減速機(jī)等驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品均采用西門子、氟蘭德品牌，且驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用軸直聯(lián)方式，
簡化安裝，輸出力矩大，批量運(yùn)行節(jié)能降耗效果顯著。
四、應(yīng)用體會(huì)與技術(shù)分析
從項(xiàng)目實(shí)施與現(xiàn)場調(diào)試情況看，主要針對(duì)于計(jì)量與控制效果，個(gè)人總結(jié)有以下幾點(diǎn)體會(huì)：
1、傳感器初始安裝與托輥分布質(zhì)量直接影響定量給料機(jī)的重復(fù)性與計(jì)量精度。在此應(yīng)用案例中，單機(jī)標(biāo)定效果非常好，重復(fù)性誤差可達(dá)到0.01%。
2、 雙PID回路中控制對(duì)象的反饋數(shù)據(jù)、P、I、D參數(shù)的整定、電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥與氣動(dòng)開關(guān)閥的性能、均化庫內(nèi)工況與物料特性是否穩(wěn)定、氣力輸送過程中氣壓是否恒定等因素對(duì)系統(tǒng)控制精度均有影響;從此應(yīng)用情況看，目前控制精度基本在0.5%~1.0%，指標(biāo)已經(jīng)超過用戶的預(yù)期要求，見圖四。
3、對(duì)物料特性與生產(chǎn)工藝的了解，進(jìn)料溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。
4、基于物料流態(tài)化與粉末特點(diǎn)，為了使皮帶上的物料被充分計(jì)量，必須確保物料在皮帶上的滯留時(shí)間大于0.4S，且稱重托輥距離頭輪至少二個(gè)托輥以上，避免大負(fù)荷時(shí)，料層太厚，因物料流化引起的定量給料機(jī)出料口傾斜塌方，造成不充分計(jì)量，從而使儀表計(jì)量數(shù)據(jù)少于實(shí)際數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。
5、中控聯(lián)調(diào)時(shí)，對(duì)操作員的操作經(jīng)驗(yàn)要求，需要結(jié)合物料反饋容量、反饋速度、反饋流量等數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程分析現(xiàn)場情況，達(dá)到準(zhǔn)確有效的操作。
圖四 控制效果圖
五、結(jié)束語
西門子WF總線型定量給料機(jī)在該項(xiàng)目共使用21臺(tái)，也是西門子PROFIBUS-DP總線型給料機(jī)在國內(nèi)市場的首次運(yùn)用，湘維公司該水泥生產(chǎn)線自2009年3月正式投產(chǎn)至今，用戶反映效果非常不錯(cuò)，配方準(zhǔn)確、可靠、完全滿足水泥工藝要求。事實(shí)證明，在生料均化庫底生料入窯控制的現(xiàn)場應(yīng)用中，西門子WF定量給料機(jī)的完美解決方案獲得了用戶的肯定。
參考文獻(xiàn)：
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【5】PID控制理論與控制原理
